基于应力梯度的Ⅰ型中心裂纹应力强度因子修正方法分析

基于无限大板Ⅰ型中心裂纹尖端附近非均匀应力分布规律，提出一种考虑应力梯度影响的应力强度因子计算方法。首先，利用校正的Westergaard应力函数求解单向拉伸Ⅰ型裂纹尖端附近应力场，分析其对裂纹扩展的作用，采用应力与距离分离形式，更加凸显因距离r值的大小而引起应力发生变化的本质原因；其次，提出应力系数函数用以表征应力场的变化，考虑当相对应力系数梯度函数值变化1%时，应力梯度变化对裂纹的扩展无影响，并定义为特征距离r_eff,以此范围内平均应力去修正应力强度因子K;最后，以20Cr钢为研究对象验证本文方法的正确性和可行性，结果表明：本文计算方法得到的应力强度因子为经典断裂学方法的1.22倍，主要原因是考虑了应力梯度的影响，裂纹尖端附近实际承受的应力增大，应力强度因子增大。     

准静态工况下斜齿轮裂纹扩展特性与寿命研究

齿轮的断齿行为通常由疲劳裂纹引起。为了研究齿根裂纹在齿轮传动过程中的扩展行为,基于线弹性断裂力学理论和有限元法,通过准静态工况下斜齿轮齿根裂纹的扩展轨迹,对裂纹扩展寿命进行了预测,并讨论载荷、裂纹初始角度、裂纹形状对初始裂纹应力强度因子的影响。结果表明：初始裂纹深度为0.2 mm,宽度为0.4 mm,沿齿宽方向扩展过程中达到一定长度时,裂纹开始沿齿顶方向扩展,直至裂纹扩展到失稳扩展阶段,预测裂纹扩展的循环寿命约为2.6×10⁶次;初始裂纹Ⅰ型应力强度因子与载荷成正比关系,而裂纹形状会改变沿齿厚和齿宽方向应力强度因子的扩展速率。     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。 2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的K_Ⅰ,K_Ⅱ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。 3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。 最后,还讨论了应用主应力强度因子K~*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展

在涂层工作过程中,由于喷涂材料硬度高、抗裂性能差、喷涂工件刚性大工件表面产生应力集中,涂层很容易产生裂纹.对于含初始裂纹的喷涂材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展与裂尖应力强度因子有很大的关系,根据断裂力学的基本原理,提出了利用数值模拟的方法来计算裂纹尖端的应力强度因子.并讨论了裂纹前沿网格划分对应力强度因子的影响,预测了裂纹扩展时形状的变化.     

发生疲劳和蠕变交互作用的临界应力强度因子

本文采用交流电位法研究了一种铁基高温合金 GH36在550℃、于不同加载条件下的裂纹扩展速率,并用扫描电镜对其断裂特征进行了分析。发现裂纹扩展规律存在着一个发生疲劳和蠕变交互作用的临界应力强度因子 K_1,当裂纹尖端的应力强度因子大于该值时,降低加载频率(或增加拉保时)将显著加速疲劳裂纹扩展速率。而小于该值时,降低加载频率(或增加拉保时)对疲劳裂纹的扩展速率却几乎没有影响。对产生这种现象的原因进行了初步探讨,在本试验条件下,主要由于疲劳裂纹和“W”型蠕变裂纹的连接而加速了裂纹的扩展。     

涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展

在涂层工作过程中，由于喷涂材料硬度高、抗裂性能差、喷涂工件刚性大工件表面产生应力集中，涂层很容易产生裂纹．对于含初始裂纹的喷涂材料，在拉伸载荷作用下裂纹的扩展与裂尖应力强度因子有很大的关系，根据断裂力学的基本原理，提出了利用数值模拟的方法来计算裂纹尖端的应力强度因子．并讨论了裂纹前沿网格划分对应力强度因子的影响，预测了裂纹扩展时形状的变化．     

巷道周边裂纹应力强度因子的实验研究

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的破坏现象,严重影响地下工程的安全施工。岩体裂纹尖端的应力强度因子对岩爆的发生有重要影响。使用一种无损的、全领域的平面应力实验分析技术——光弹性实验技术,通过分析试件的主应力差和主应力方向,并使用数值方法,讨论了当隧道围岩裂纹角度和荷载变化时,其尖端应力强度因子的变化情况。结果表明:1)在单轴压缩荷载作用下,裂纹尖端的应力强度因子随裂纹倾角的增加而增加,到达60°时开始下降,并且当倾角固定时,随荷载增加而增加;2)在围压作用下,倾角为45°时的裂纹为最不利裂纹,其应力强度因子最大。     

T应力对线弹性材料脆性断裂的影响

在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最小应变能密度因子准则(minimumstrain energy density criterion,SED)进行修正,应用修正的最小应变能因子准则对Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型脆性断裂问题分别进行研究,分析T应力对裂纹扩展方向和断裂时刻应力强度因子的影响并给出不同T应力条件下的通用的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展条件,并将预测结果与现有的试验数据进行比较。分析表明,T应力对于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型断裂均有显著影响,考虑T应力的SED预测结果和试验结果吻合很好。     

复杂应力下TC11蠕变损伤及裂纹扩展研究

为探究TC11材料的蠕变损伤和蠕变裂纹扩展特性,以500℃下TC11的单轴蠕变试验为参考,基于考虑孔洞长大的延性耗竭蠕变损伤本构关系,建立有限元模型,研究了初始裂纹长度对CT试件裂纹扩展的影响以及初始裂纹尺寸对表面裂纹扩展的影响。研究表明:初始裂纹长度显著影响TC11材料CT试件的蠕变裂纹扩展行为,其值越大裂纹扩展速率、裂尖等效应力、裂尖应力三轴度越大,且初始裂纹长度对深裂纹试样(a_0/W=0.6,a_0/W=0.7)裂纹扩展特性的影响明显大于对浅裂纹试样(a_0/W=0.3,a_0/W=0.4,a_0/W=0.5)的影响;当表面裂纹最深处的应力强度因子K_(π/2)相同时,各试件在同一时刻深度方向的扩展量近似为长度方向扩展量的2倍,随着初始裂纹尺寸的增大,表面裂纹的扩展速率逐渐减慢,且初始裂纹长度对裂纹扩展的影响要大于初始裂纹深度对裂纹扩展的影响。     

开口圆环紧凑拉伸断裂韧度试样的应力强度因子K_1有限元——J积分计算

为了把断裂力学原理应用于工程实际,测定金属材料的断裂韧度值,需要找到相应条件下裂纹尖端的应力强度因子 K_1。近年来通过解析法、近似计算法、光弹性法,已对很多具有初始裂纹构件及试样的应力强度因子进行了研究,并积累了大量资料。但有时为了解决特殊问题,不得不采用形状特殊的试样来测定材料的平面应变断裂韧度值K_(1c)。本文所计算的试样的应力强度因子 K_1,就属于这种情况。     

单参数面积法—对应力强度因子的光弹性测试探讨

本文提出光弹性测定应力强度因子的单参数面积法,其特点是测取裂纹尖端等色线所包围的面积,并以此为参数来确定应力强度因子。用本公式计算K_Ⅰ,数据比较稳定,最大偏差在6％以内。用同样的原理也可以测混合型应力强度因子(K_Ⅰ—KⅡ)。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

考虑接触的斜裂纹动态应力强度因子分析

为了研究含中心穿透斜裂纹的有限板在拉伸冲击载荷下裂纹尖端的动态应力强度因子,本文采用有限元方法建立模型进行系列分析。裂尖的应力奇异性通过1/4节点奇异单元来模拟,应用相互作用积分法计算动态应力强度因子,考虑了裂纹面接触作用、冲击载荷形式、裂纹长度、裂纹角度及裂纹位置等参数的影响,并给出了接触应力随时间的变化曲线。数值结果表明:裂纹面的接触作用可消除负的Ⅰ型动态应力强度因子,接触刚度比摩擦系数的影响明显,载荷形式在总冲量不变的情况下对动态应力强度因子的影响也非常大,而裂纹长度等裂纹参数对Ⅰ型动态应力强度因子的影响比Ⅱ型显著。     

关于管道环向穿透裂纹的应力强度因子

由守恒积分给出的裂纹尖端近场以应力强度因子表示的积分值,并利用Ｊｋ积分概念及管道膜应力的初等分析,提出了计算裂纹管应力强度因子的一个方法。给出了适用于各种载荷的Ⅰ型管道环向穿透裂纹的应力强度因子表达式,以及拉伸环向周期裂纹管应力强度因子的计算公式,从而建立了一个简单而有效的求解方法。     

弯曲梁裂纹应力强度因子求解方法研究

建筑工程中的梁大多数都是矩形梁,随着使用年限的增加以及受一些人为因素的影响,梁会产生裂纹,而所产生的任何裂纹都会使梁结构存在安全隐患。应力强度因子是反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量,与裂纹的尺寸或构件的几何特征及载荷有关。同时,断裂力学中的一个重要内容就是计算应力强度因子,无论是对断裂理论还是工程应用,寻求一个简单的求解应力强度因子的方法极其重要。在以往的研究中,要想求得裂纹的应力强度因子需要测得初始裂纹的形状,但是测初始裂纹的形状常常会受到测试条件的约束,可见这是相当困难的。本文以弯曲梁为例,基于守恒积分法求解裂纹非自发扩展的能量释放率,建立了一个求解弯曲载荷作用下矩形梁的三种裂纹开裂情况下的应力强度因子新方法。     

弯曲梁裂纹应力强度因子求解方法研究

建筑工程中的梁大多数都是矩形梁,随着使用年限的增加以及受一些人为因素的影响,梁会产生裂纹,而所产生的任何裂纹都会使梁结构存在安全隐患。应力强度因子是反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量,与裂纹的尺寸或构件的几何特征及载荷有关。同时,断裂力学中的一个重要内容就是计算应力强度因子,无论是对断裂理论还是工程应用,寻求一个简单的求解应力强度因子的方法极其重要。在以往的研究中,要想求得裂纹的应力强度因子需要测得初始裂纹的形状,但是测初始裂纹的形状常常会受到测试条件的约束,可见这是相当困难的。以弯曲梁为例,基于守恒积分法求解裂纹非自发扩展的能量释放率,建立了一个求解弯曲载荷作用下矩形梁的三种裂纹开裂情况下的应力强度因子新方法。     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

基于扩展有限元研究非均质材料的应力强度因子

用含裂纹尖端增强函数的扩展有限元借助相互作用积分,研究静态载荷作用下颗粒增强复合材料的断裂行为。假定基体和颗粒都是弹性材料,研究不同颗粒位置对基体裂纹尖端的应力强度因子的影响。用MATLAB编程,数值模拟了中心裂纹,单边裂纹扩展和孔边裂纹扩展,含刚性颗粒和柔性颗粒时裂纹尖端不同的应力强度因子或能量释放率的变化。     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。     

热应力下双材料表面裂纹的应力强度因子

使用交互积分法分别计算了单一材料和双材料表面裂纹受远场拉应力作用时的应力强度因 子,并与GOSZ 等人的经典结果对比,验证了数值方法的可行性; 进而应用此方法求解热应力作用 时的情况,分别计算了不同裂纹形状,不同模型厚度以及不同弹性模量比情况下的应力强度因子, 数值结果表明: 裂纹的长短轴比a /c 越小,热应力对应力强度因子的影响就越大; 当模型厚度和裂 纹深度接近时,热应力对KII 有较大的影响,而模型厚度远大于裂纹深度时,这种影响就可以忽略不 计; 材料匹配程度越好,热应力对应力强度因子的影响越小,反之这种影响就很大．